DE3126485A1

DE3126485A1 - Messanordnung

Info

Publication number: DE3126485A1
Application number: DE19813126485
Authority: DE
Inventors: Erich 8503 Altdorf Delago; Herbert 8500 Nürnberg Rieß
Original assignee: Metrawatt 8500 Nuernberg GmbH; Metrawatt GmbH
Current assignee: Gossen-Metrawatt 90471 Nuernberg De GmbH
Priority date: 1981-07-04
Filing date: 1981-07-04
Publication date: 1983-01-20
Also published as: CH663283A5; DE3126485C2

Description

METRAWATT GmbH

Nürnberg 3Ü. Juni 19 81

Mp.-Nr. 577/81 ZPT/P3-Bi/Bt

Meßanordnung

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Messung von Spannungen, Strömen, Wirkleistung, Blindleistung, Scheinleistung und Leistungsfaktor in Zwei-, Drei- und Vierleiter-Wechsel- bzw. Drehstromnetzen mit beliebigen Spannungsund Lastzuständen unter Verwendung von Spannungs- und Stromwandlern-

Schaltungsanordnungen zur Durchführung der obengenannten Meßverfahren der Starkstromtechnik sind bekannt. Zur Durchführung offizieller Messungen geeignete und zugelassene Schaltungen sind in DIN 43807 genormt. Dabei fällt auf, daß für jede Meßgröße eine eigene Meßschaltung vorgeschrieben ist. Will man in einem Starkstromnetz mehrere Meßgrößen oder in unterschiedlichen Netzen eine einheitliche Meßgröße ermitteln, so benötigt man dazu jeweils unterschiedliche Schaltungen und Geräte. Eine Anpassung eines bestimmten

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Meßgerätes an die unterschiedlichen Meßaufgaben ist meist nicht oder nur mit großen Schwierigkeiten möglich.

Hinzu kommt, daß die bekannten Meßschaltungen, auch die genormten, unter besonderen Bedingungen einen systembedingten Meßfehler aufweisen, der vom Bedienungspersonal nicht erkannt werden kann. Als Beispiel seien die Schaltungen zur Messung von Blindleistung genannt» Enthalten diese Schaltungen eine Kunstschaltung zur Erseugung der

tO 90°-Phasenverschiebung des Spannungs- gegenüber dem Stromzweig, so führt eine Frequenzänderung zu einem Meßfehler. Wird dagegen die 90°-Phasenverschiebung des Spannungsgegenüber dem Stromzweig durch Verv/endung der verketteten Spannungen anstelle der Strangspannung gebildet, so führt eine Spannungsunsymmetrxe im Drehstromnetz ebenfalls zu einem normalerweise nicht erkennbaren Meßfehler.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung anzugeben, mit der alle interessierenden Meßgrößen in Starkstromnetzen ohne Änderung der Meßschaltung und der Anschlüsse gemessen werden können=

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß drei Spannungswandler vorgesehen sind, die primär- und sekundärseitig sternförmig zusammengeschaltet sind, daß ferner drei Stromwandler vorgesehen sind, die sekundärseitig sternförmig zusammengeschaltet sind, daß ein Multiplexer vorgesehen ist, der von den sechs möglichen Äusgangssignalen der Wandler jeweils bis zu drei Signale in äqudistanten Zeitabständen auf je eine Sample-and-Hold-Schaltung schaltet und daß jeder Sample-and-Hold-Schaltung ein Analog/Digital-Wandler nachgeschaltet ist, der die analogen Signale digitalisiert und an eine Zentraleinheit weiterleitet, wo sie für nachfolgende Berechnungen gespeichert werden„

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Damit ergeben sich die Vorteile, daß die Strom- und Spannungsvektoren aller bekannten Wechselstromnetze ohne Änderung der Anschlüsse vektoriell richtig abgebildet werden können, indem der von der Zentraleinheit gesteuerte MuItiplexer die am Eingang der Meßanordnung anliegende Spannungsund Stromwerte zeitlich aufeinanderfolgend und in der richtigen Zuordnung von Spannungen zu Strömen durchschaltet. Welche Spannungs- und Stromwerte durchgeschaltet werden, hängt ab von der momentan zu bestimmenden Meßgröße. Ohne daß die starkstromseitigen Anschlüsse geändert werden, werden die zusammengehörigen Spannungen und Ströme miteinander verknüpft, wie es in den DIN-Normen vorgeschrieben ist.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß beispielsweise zur Bildung der Blindleistung die Ströme nicht mehr mit der um 90° verschobenen verketteten Spannung verknüpft werden, was,wie oben erwähnt, bei Spannungsunsymmetrien im Netz zu Meßfühlern führt; vielmehr wird jeder Strom mit seiner zugehörigen Spannung verknüpft, wobei die 90 -Verschiebung durch Zugriff auf solche Meßwerte im Speicher der Zentraleinheit realisiert wird, die mit der gewünschten 90°-Verschiebung zeitlich korrelieren.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die äquidistanten Zeitabstände ganzzahlige Bruchteile der Zeitdauer einer ganzen Grundschwingungsdiode und eines Viertels einer Grundschwingungsperiode. Dadurch wird sowohl das Abtasttheorem erfüllt, was Bedingung für eine eindeutige Übereinstimmung der digitalen Signale mit den analogen Größen ist, als auch eine synchrone Abtastung erreicht, welche bekanntlich etwaige Störungen auf dem Netz optimal unterdrückt, als auch die gewünschte 90°-Phasenverschiebung auf eindeutige und einfache Weise realisiert.

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Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Es zeigen:
Fig. 1 den Verlauf von Spannung u und Strom i für eine

Phasenverschiebung γ = 30 sowie die entsprechenden Abtastwerte und
Fig. 2 das Blockschaltbild einer Meßanordnung.

Die obere Kurve in Fig. 1 zeigt eine volle Periode einer Spannung u, aufgetragen über dem Winkel ψ von 0 bis 360°. Eingetragen sind ferner die Abtastintervalle von 1 bis 24 ο Eine volle Periode der Netzspannung u wird in ihren 24 äquidistanten Winkelteilen Δ ψ = 15° abgetastet.Δ ψ ist sowohl ein ganzzahliger Bruchteil einer vollen Grundschwingungsperiode <f> = 360 als auch ein ganzzahliger Bruchteil eines Viertels einer vollen Grundschwingungsperiode. Im Falle einer Netzfrequenz von 50 Hz. entspricht Λ ψ= 15° einem zeitlichen Abstand der Abtastintervalle von j\ t = 0,83 3 msec,

Die untere Kurve in Fig. 1 zeigt für eine Phasenverschiebung ψ = 30° den Verlauf eines Stromes i über eine volle Periode von ψ = 360°, wobei hier ebenfalls die Abtastzeitpunkte und -werte eingetragen sind. Die Abtastzeitpunkte stimmen exakt mit jenen der Spannung u überein. Infolge der Phasenverschiebung ψ = 30 kreuzt die Stromkurve die Nullinie bei Abtastwer t Δ y = "2 .

Obwohl es prinzipiell bekannt ist, wie mit Hilfe der abgetasteten Werte die verschiedenen Meßgrößen der Starkstromtechnik berechnet werden können, sei hier als Beispiel nochmals die Berechnung der Wirkleistung P sowie der Blindleistung Q angeführt. Die Wirkleistung errechnet sich zu 24

^P - 2XT-T 2_ % ' i_N

N=I

-.y'v-'-J ^eO .1

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Für u und i werden jeweils die Stiangspannungen und -ströme eingesetzt, d.h., U_n, ü_t, und U_ bzw. I₁₃, I,, und I_m. Die Blindleistung errechnet sich nach dem gleichen Prinzip zu

7 ₂4

Q - —_Λ —' ί 2L u_N . i_{(N + 18)}'4t + ^ «_Ν . χ_(Ν_₆₎

Die 90 -Verschiebung der Spannung gegenüber dem Strom wird also nicht durch eine Änderung der Anschlüsse, sondern durch eine Verschiebung der miteinander multiplizierten Abtastwerte um 6 . 15 =90 erreicht. Eine weitere Besonderheit, die mit einer erfindungsgemäßen Meßanordnung möglich ist, ist die Berechnung der Blindleistung ohne Benutzung der verketteten Spannungen und ohne phasendrehende Kunstschaltung, wodurch die dadurch bedingten Fehlereinflüsse sicher vermieden werden.

zeigt
Fig. 2/ein Blockschaltbild einer Meßanordnung. Man erkennt drei Spannungswandler Wl, W2, W3, die sowohl primärseitig als auch sekundärseitig sternförmig zusammengeschaltet sind. Die primärseitigen Klemmen sind DIN-gerecht mit 2, 5, 8, 11 bezeichnet. Man erkennt ferner drei Stromwandler W4, W5, W6, die nur sekundärseitig sternförmig zusammengeschaltet sind und deren Klemmen ebenfalls DIN-gerecht mit 1, 3, 4, 6, 7, bezeichnet sind. In dieser Konfiguration ist die Meßanordnung geeignet für Messungen in sämtlichen Wechsel- und Drehstromnetzen. Die drei Spannungswandler liefern drei Ausgangssignale υ,, U_?, U, und die drei Stromwandler liefern ebenfalls drei Ausgangs sign ale I,, 1 , ~L . Diese sechs Signale liegen am Eingang eines Multiplexers MX, der \on einer Zentraleinheit ZE gesteuert wird. Entsprechend diesen Steuersignalen werden bis zu drei der an seinem Eingang anstehenden Signale an den Ausgang durchgeschaltet, wo sie als Signale S-. , S S-, anstehen und auf je eine Sample-and-Hold-Schaltung SH gegeben werden. Die Sample-and-Hold-Schaltung SH

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übernimmt auf ein entsprechendes Steuersignal der Zentraleinheit ZE hin einen Signalwert, speichert ihn und gibt ihn an einen Analog/Digital-Wandler A/D weiter. Jeder Änalog/Digital-Wandler A/D bildet daraus ebenfalls auf ein Steuersignal der Zentraleinheit ZE hin den entsprechenden Digitalwert und liefert ihn an die Zentraleinheit ZE, wo er in einem Speicher für die nachfolgende Berechnung gespeichert wird.

Welche der Spannungs- und Stromwerte vom Multiplexer MX durchgeschaltet werden, wird,wie schon erwähnt, von der Zentraleinheit gesteuert. Zur Messung von Leistungen werden im allgemeinen zwei Spannungen und ein Strom durchgeschaltet. Diese drei zusammengehörenden Signale, die beispielsweise zur Bestimmung der Leistung in einem Strang eines Drehstromnetzes geeignet sind, werden, wie schon erwähnt, in äquidistanten Zeitabständen Δ t entsprechend Δ ψ-durchgeschaltet. Zwischen zwei Abtastungen der Signale des einen Strangs können auch die Signale der anderen Stränge abgetastet werden, so daß dieBerechnung der Teilleistungen in den einzelnen Strängen innerhalb einer Periode der Netzspannung gleichzeitig erfolgt.

Alternativ dazu wäre es auch möglich, den Multiplexer jeweils nach Ablauf einer vollen Meßperiode auf den nächsten Strang umzuschalten, so daß die volle Leistung des Netzes nach 2 oder maximal 3 Grundschwingungsperioden errechnet werden kann. Diese letzte Meßart führt zu einer erheblich verringerten Schaltfrequenz in Multiplexer, Saraple-and-Hold-Schaltung und Analog/Digital-Wandler, wobei der zu erwartende Meßfehler äußerst gering bleibt, da nicht anzunehmen ist, daß in maximal 3 Grundschwingungsperioden sich die Verhältnisse in den einzelnen Strängen des Netzes grundlegend ändern.
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Um möglichen Mißverständnissen vorzubeugen, soll noch darauf hingewiesen werden, daß die im Beispiel angenommenen Abtastintervalle Αφ = 15 keinen Einfluß haben auf die Meßgenauigkeit der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, d.h. auf die Meßgenauigkeit, mit der beispielsweise der Leistungsfaktor cos (J) bestimmt werden kann. Die Phasenverschiebung ψ zwischen Strom und Spannung und der daraus resultierende Leistungsfaktor cos ψ sind mit beliebiger Genauigkeit berechenbar, wenn die Abtastintervalle 4y das Abtasttheorem von Shannon erfüllen, ganzzahlige Bruchteile einer vollen Grundschwingungsperiode sind, um mögliche Störungen zu minimieren,und ganzzahlige Bruchteile eines Viertels einer Grundschwingungsperiode sind, um die 90°-Verschiebung zur Bestimmung der Blindleistung durch zeitlich verschobene Korrellierung der im Speicher der Zentraleinheit abgelegten Abtastwerte realisieren zu können.

Claims

Mp.-Nr. 577/81 30. Juni 1981

ZPT/P3-Bi/Bt

Ansprüche

\1 .^Meßanordnung zur Messung von Spannungen (u), Strömen (i), Wirkleistung (P), Blindleistung (Q), Scheinleistung (S) und Leistungsfaktor (cos ψ) in Zwei-, Drei- und Vierleiter-Wechsel- bzw. Drehstromnetzen mit beliebigen Spannungs- und Lastzuständen unter Verwendung von Spannungsund Stromwandlern (Wl, W2, W3; W4, W5, W6) , dadurch gekennzeichnet , daß drei Spannungswandler (Wl, W2, W3) vorgesehen sind, die primär- und sekundärseitig sternförmig zusammengeschaltet sind, daß ferner drei Stromwandler (W4, W5, W6) vorgesehen sind, die sekundärseitig sternförmig zusammengeschaltet sind, daß ein Multiplexer (MX) vorgesehen ist, der von den sechs möglichen Äusgangssignalen (Ul, U2, U3; II, 12, 13) der Wandler (Wl....W6) jeweils bis zu drei Signale (Sl, S2 , S3) in äquidistanten Zeitabständen (^t) auf je eine Sample-and-Hold-Schaltung (S-f-H) schaltet, und daß jeder Sample-and-Hold-Schaltung (S+H) ein Analog/Digital-Wandler (A/D) nachgeschaltet ist, der die analogen Signale (Sl, S2,S3) digitalisiert und an eine Zentraleinheit (ZE) weiterleitet, wo sie für nachfolgende Berechnungen gespeichert werden.
2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äquidistanten Zeitabstände (^t) ganzzahlige Bruchteile der Zeitdauer einer ganzen Grundschwingungsperiode und eines Viertels einer Grundschvjingungsperiode sind.